SWIATLOWODY

1
SWIATLOWODY
2
Definicja

• Swiatlowód - falowód sluzacy do
  przesylania promieniowania swietlnego.
• Pierwotnie mial postac metalowych rurek
  o wypolerowanych sciankach, sluzacych do
  przesylania wylacznie promieniowania
  podczerwonego.
• Obecnie w formie wlókien dielektrycznych -
  najczesciej szklanych, z otulina z tworzywa
  sztucznego, charakteryzujacego sie mniejszym
  wspólczynnikiem zalamania swiatla niz wartosc
  tego wspólczynnika dla szkla.

3
(No Transcript)
4

• Swiatlowody wkroczyly juz do kazdej dziedziny
  przesylania informacji.
• Obecnie sa powszechnie stosowane w
  telekomunikacyjnych laczach dalekosieznych i
  miedzycentralowych, sieciach telewizji kablowej
  oraz lokalnych sieciach komputerowych, gdzie
  zastepuja tory miedziane lub wszedzie tam, gdzie
  zastosowanie kabla miedzianego jest niemozliwe z
  powodu zbyt duzej odleglosci pomiedzy wezlami
  sieci.

5
(No Transcript)
6

• Zastosowanie swiatlowodów jako medium
  transmisyjnego w znacznym stopniu zwiekszylo
  szybkosc i niezawodnosc wymiany informacji.
• Swiatlowód jest bowiem medium transmisyjnym o
  wysokich parametrach i wykazuje calkowita
  odpornosc na zaklócenia elektromagnetyczne.
• Nie bez znaczenia jest równiez czynnik
  ekonomiczny. Swiatlowód wykonywany ze szkla
  kwarcowego jest bardzo tani w porównaniu z
  miedzianym kablem koncentrycznym.

7
(No Transcript)
8

• Zalety swiatlowodów
• duza szybkosc transmisji danych
• niezawodnosc (nie ulegaja korozji)
• nie generuja zadnych sygnalów elektrycznych i
  magnetycznych, dzieki czemu nie powoduja zaklócen
  
• calkowita odpornosc na zaklócenia zewnetrzne
• male straty sygnalu
• nie mozna sie do nich podlaczyc, dzieki czemu
  zapewniaja bezpieczenstwo danych
• duza trwalosc rzedu 25 lat
• niewielki koszt swiatlowodu

9

• Wady swiatlowodów
• instalacje musi przeprowadzac wykwalifikowany
  personel
• wysoka cena oprzyrzadowania
• wyzsze koszty instalacji

10
Mozliwe bledy montazowe(przy srednicy
swiatlowodu rzedu kilku mikrometrów jest to
bardzo prawdopodobne)
11

• Zastosowanie swiatlowodów
• 1. Lacza telefoniczne w jednym z pierwszych
  zbudowanych systemów, swiatlowodowe kable
  polaczyly budynki urzedów telefonicznych w
  Chicago, oddalone od siebie o 1 km i o 2,4 km.
  Kable zawieraly po 24 wlókna optyczne, z których
  kazde moglo przenosic 672 kanaly telefoniczne.
  Mozliwosc realizacji miedzymiastowych linii z
  kablami swiatlowodowymi stala sie faktem, kiedy
  zademonstrowano lacze optyczne o dlugosci ponad
  100 km bez wzmacniaków. Dzis mozliwa jest nawet
  budowa podmorskiej linii swiatlowodowej ulozonej
  na dnie Oceanu Atlantyckiego.

12
Zastosowanie swiatlowodów (cd.) 2. Uslugi
abonenckie (sieci) 3. Linie telekomunikacyjne
wzdluz linii energetycznych i sieci
kolejowych 4.Rozglosnie telewizyjne Niewielki
ciezar kabla swiatlowodowego jest bardzo wygodny
przy transmisjach na zywo, umozliwia bowiem
znaczna swobode ruchu minikamer. Sygnal moze byc
przekazywany w pasmie podstawowym w postaci
analogowej. Szerokosc pasma 6 MHz jest w
zupelnosci wystarczajaca. 5.Telewizja kablowa
13
Zastosowanie swiatlowodów (cd.) 6. Zdalna
kontrola i ostrzeganie duza odpornosc na
zaklócenia elektromagnetyczne oraz mala podatnosc
na zniszczenie wskutek wyladowan atmosferycznych
sa w tych zastosowaniach szczególnie istotne. 7.
Do transmisji obrazu i mocy w zastosowaniach
medycznych 8. Pociski sterowane swiatlowodami. 9.
Lokalne sieci komputerowe
14

• Zastosowanie swiatlowodów (cd.)
• 10. Komputery do transmisji danych w postaci
  cyfrowej takich, jakie powstaja w komputerach,
  np. wykonywanie polaczen miedzy centralnym
  procesorem a urzadzeniami peryferyjnymi, miedzy
  centralnym procesorem a pamiecia oraz miedzy
  róznymi procesorami. Male rozmiary i niewielki
  ciezar, dobre zabezpieczenie informacji
  wynikajace z zamkniecia promieniowania wewnatrz
  wlókna optycznego sprawiaja, ze swiatlowody sa
  odpowiednim torem do transmisji danych, bez
  wzgledu na odleglosc.

15

• Zastosowanie swiatlowodów (cd.)
• 11. Okablowanie samolotów i statków istotna
  zaleta w zastosowaniach na statkach i w
  samolotach jest zmniejszone ryzyko iskrzenia i
  pozaru, które sa jednymi z najwiekszych zagrozen
  dla komunikacji morskiej i powietrznej
• 12. W pomiarach obciazen, naprezen, odksztalcen,
  przemieszczen

16
Zastosowanie swiatlowodów (cd.) 13. Jako
czujniki drgan, odleglosci, przezroczystosci
(wody, atmosfery) 14. W diagnostyce i badaniach
silników spalinowych Do monitorowania skladu
mieszanki paliwowo-powietrznej 15. Do pomiaru
temperatury, cisnienia, naprezen oraz pola
elektrycznego
17
(No Transcript)
18

• ZASADA DZIALANIA SWIATLOWODU
• Transmisja swiatlowodowa polega na przekazaniu
  wiazki swiatla, którego zródlem moze byc laser
  lub dioda LED. Po drugiej stronie swiatlowodu
  jest ona odbierana przez element swiatloczuly np.
  fotodiode. Aby zapewnic prawidlowa i szybka
  transmisje, wiazka swiatla jest modulowana.
  Zapobiega to mogacym pojawiac sie
  znieksztalceniom sygnalu.

19
(No Transcript)
20
Generacje swiatlowodów

• pierwsza generacja (okno 850nm) - w roku
  1972 amerykanska firma Corning Glass uzyskuje
  swiatlowodowe wlókno wielomodowe o tlumiennosci
  okolo 4dB/km dla fali o dlugosci 850nm, co
  pozwolilo na uzyskanie pojemnosci transmisyjnej
  ok. 50Mb/s i skokowej charakterystyce zalamania
  wiazki swietlnej

21
Generacje swiatlowodów

• druga generacja (okno 1300nm) - w roku 1987 udalo
  sie po raz pierwszy zastosowac swiatlowód
  jednomodowy o prawie zerowej dyspersji (dla fali
  1300nm) i zmniejszonym tlumieniu jednostkowym (do
  okolo 0,4dB/km)

22
Generacje swiatlowodów

• trzecia generacja (okno 1550nm) charakteryzuje
  sie najmniejsza tlumiennoscia jednostkowa (od
  0,16 do0,2 dB/km), co ma bezposredni wplyw na
  zasieg (pozwala na zwiekszenie odleglosci miedzy
  regeneratorami do okolo 200km). Podstawowa
  niedogodnoscia jest wystepowanie wysokiej
  dyspersji (15-20 ps/kmnm)

23
Generacje swiatlowodów

• czwarta generacja wiaze sie z wprowadzeniem
  szerokopasmowych wzmacniaczy optycznych EDFA,
  komutacji i zwielokrotnienia falowego WDM
• piata generacje tworza najnowsze osiagniecia w
  zakresie transmisji tzw. solitonowej (co
  teoretycznie prowadzi do nieograniczonego wzrostu
  pojemnosci transmisyjnej BL)

24
Budowa wlókna swiatlowodowego

• Swiatlowody wykonywane sa ze szkla
  kwarcowego (dwutlenek krzemu), w których medium
  transmisyjne stanowi rdzen - domieszkowane,
  szklane wlókno kwarcowe, otoczone plaszczem,
  który wykonany jest z materialu o nizszym
  wspólczynniku zalamania swiatla niz rdzen.

25
(No Transcript)
26
Budowa wlókna swiatlowodowego

• 1.      Wlókno optyczne, zlozone z dwóch rodzajów
  szkla o róznych wspólczynnikach zalamania
• - czesc srodkowa   rdzen (Core),
  najczesciej o srednicy 62,5 µm
  (rzadziej 50um)
• - czesc zewnetrzna plaszcz zewnetrzny
  (Cladding), o srednicy 125 µm
• 2.      Warstwa akrylowa
• 3.      Tuba izolacja o srednicy 900 µm.
• 4.      Oplot kewlarowy.
• 5.      Izolacja zewnetrzna.

27
Mod

• Propagowane we wlóknie promienie swietlne
  zwane sa modami swiatla i definiuje sie je jako
  monochromatyczna wiazke, rozchodzaca sie wzdluz
  falowodu z charakterystyczna dla siebie tzw.
  predkoscia fazowa.

28
Typy swiatlowodów

• Ze wzgledu na ilosc wiedzionych modów przez
  swiatlowód, wlókna dzieli sie na wielomodowe i
  jednomodowe.

29
Swiatlowody wielomodowe

• Swiatlowody wielomodowe przesylaja wiele modów
  (fal) o róznej dlugosci, co powoduje rozmycie
  impulsu wyjsciowego i ogranicza szybkosc lub
  odleglosc transmisji. Zródlem swiatla jest tu
  dioda LED

30
Swiatlowody jednomodowe

• Swiatlowody jednomodowe sa efektywniejszei
  pozwalaja transmitowac dane na odleglosc do100
  km bez wzmacniacza.
• Zródlem swiatla jest tu laser. Dzieki temu, ze
  sygnal ten prawie wcale nie ulega rozproszeniu,
  nawet najbardziej zewnetrzne czesci jego wiazki
  nie zaczynaja nawet dotykac wewnetrznych scianek
  wlókna przewodzacego, nie mówiac o jakichkolwiek
  odbiciach

31
Nadajniki optyczne

• Diody elektroluminescencyjne LED(Light-Emitting D
  iode)
•       Dioda elektroluminescencyjna jest zródlem
  swiatla wykorzystujacym zjawisko emisji tzw.
  spontanicznej, emitujacym swiatlo o mocy
  wzrastajacej w przyblizeniu liniowo ze wzrostem
  pradu zasilania

32
Nadajniki optyczne

• Lasery swiatlowodowe
•        Lasery swiatlowodowe sa to urzadzenia
  wytwarzajace spójna wiazke promieniowania
  elektromagnetycznego, dzialajac na zasadzie
  emisji wymuszonej.
• Lasery ze studniami kwantowymi
• W laserach tych obszar czynny jest cienszy
  od 100 nm, a wiec jest on znacznie mniejszy od
  dlugosci fali.

33
Nadajniki optyczne

• Lasery jednomodowe
•       Wspólczesne systemy transmisyjne bardzo
  czesto stwarzaja koniecznosc jednomodowej pracy
  lasera.
• Selektywnosc wyboru modu podluznego moze zostac
  poprawiona przez zastosowanie selektywnego
  rozproszonego sprzezenia zwrotnego.

34
Odbiorniki optyczne

•        Detektory promieniowania swietlnego maja
  za zadanie wykrycie tego promieniowania i
  okreslenie jego wlasciwosci. Detektory
  przeksztalcaja otrzymana moc promieniowania na
  prad elektryczny, który pózniej podlega
  wzmacnianiu i dalszej obróbce elektrycznej.

35
Odbiorniki optyczne

• Aby detektory promieniowania mogly sluzyc
  telekomunikacji swiatlowodowej musza spelniac
  szereg warunków
• duza dokladnosc odzyskiwania sygnalu
• duza czulosc w odpowiednich pasmach
  promieniowania0,8-0,9 µm, kompatybilne z
  laserami ALGaAs (arsenek galu) i LED (krzem)
  1,1-1,6 µm (kompatybilne z diodami laserowymi)
• duza elektryczna odpowiedz na odebrany optyczny
  sygnal
• male szumy wlasne, dla osiagniecia duzego
  stosunku sygnalu do szumów
• maly wplyw czynników zewnetrznych (temperatury)
  na prace fotodetektora
• male wymiary
• niewielki pobór mocy
• wysoka niezawodnosc i niski koszt

36
Odbiorniki optyczne

• Fotodioda pólprzewodnikowa
•      Fotodiody pólprzewodnikowe spolaryzowane w
  kierunku zaporowym, sa najprostszym rodzajem
  odbiorników stosowanych w detekcji bezposredniej

37
Odbiorniki optyczne

• Fotodioda lawinowa
•        Fotodioda lawinowa ma strukture fotodiody
  pólprzewodnikowej, lecz wyróznia ja zastosowanie
  odpowiednio duzego napiecia wstecznego w celu
  uzyskania efektów jonizacji

38
Wzmacniacze optyczne

•        Stosowane w lacznosci swiatlowodowej
  wzmacniacze optyczne sa to
• wzmacniacze falowodowe - swiatlowodowe
  (domieszkowane tzw. pierwiastkami ziem rzadkich)
• pólprzewodnikowe
• wzmacniacze wykorzystujace zjawiska nieliniowe
  zachodzace we wlóknach.

39
Wlasnosci swiatlowodów

• Tlumienie
• Jedna z podstawowych wad swiatlowodów jest
  tlumienie, które nie zmienia ksztaltu sygnalu,
  zmniejsza jedynie jego moc.

40
Wlasnosci swiatlowodów (cd)

• Tlumienie powodowane jest przez straty falowe
  wynikajace z niedoskonalosci falowodu.
• Naleza do nich
• absorpcja, czyli pochlanianie energii przez
  czastki swiatlowodu
• rozpraszanie energii powodowane fluktuacjami
  gestosci materialu rdzenia oraz fluktuacjami
  wspólczynnika zalamania w rdzeniu i w plaszczu
  przy jego granicy z rdzeniem
• rozpraszanie energii spowodowane
  niedoskonalosciami wlókna powstalymi juzw fazie
  produkcji.

41
Wlasnosci swiatlowodów (cd.)I, II i III okna
transmisyjne
42
Okna transmisyjne

• Tlumienie zalezne od dlugosci fali odgrywa
  istotna role w transmisji swiatlowodowej, w
  zwiazku z tym wyróznia sie trzy okna przydatne do
  prowadzenia transmisji o obnizonej tlumiennosci.

43
Okna transmisyjne

• I okno transmisyjne - obejmuje fale w okolicy
  0,85µm, dosc wysokie tlumienie powyzej 1dB/km. O
  atrakcyjnosci tego okna stanowi dostepnosc tanich
  zródel swiatla, jednak zakres jego zastosowan
  sprowadza sie tylko do malych odleglosci
  transmisyjnych rzedu kilkunastu kilometrów.
• II okno transmisyjne - na fali l,3µm, tlumienie
  okolo 0,4dB/km, zasieg transmisji od 75 do l00km.
  
• III okno transmisyjne - na fali l,55µm, tlumienie
  mniejsze niz 0,2dB/km, zasieg transmisji od 150
  do 200km.

44
Dyspersja

• Dyspersja, czyli poszerzenie impulsu
  docierajacego na koniec wlókna (rozproszenie
  impulsu), jest drugim czynnikiem po tlumieniu w
  wyrazny sposób ograniczajacym zasieg transmisji w
  systemach swiatlowodowych.
• Rozróznia sie dwa typy dyspersji.Jest to
  dyspersja miedzymodowa, oraz dyspersja
  chromatyczna.

45
Dyspersja

• Dyspersja modowa - wystepuje w swiatlowodach
  wielomodowych, w swiatlowodach gradientowych jest
  nieznaczna. Impuls swiatla wiedziony przez
  swiatlowód jest superpozycja wielu modów, z
  których prawie kazdy, na skutek róznych katów
  odbicia od granicy rdzenia, ma do przebycia inna
  dlugosc drogi miedzy odbiornikiem a nadajnikiem.

46
Dyspersja

• Dyspersja chromatyczna(zwiazana z barwa
  swiatla)
• Skladaja sie na nia dwa zjawiska dyspersja
  materialowa i falowodowa.
• dyspersja materialowa powodowana jest zmiana
  wspólczynnika zalamania szkla kwarcowego w
  funkcji dlugosci fali.
• dyspersja falowa - czesciowo powodowana jest
  wedrowaniem wiazki przez plaszcz swiatlowodu.

47
Normalizacja miedzynarodowa

• Zakres zmian dlugosci fali
•        W telekomunikacji stosowane sa pojecia
  transmisyjnych pasm (okien) optycznych.
•        Swiatlowody kwarcowe wielomodowe
  stosowane sa w dwóch pasmach
• a) pierwsze okno optyczne - 850 nm
• b) drugie okno optyczne - 1300 nm      
•  Swiatlowody kwarcowe jednomodowe stosowane sa w
  pasmach
• a) drugie okno optyczne - 1310 nm
• b) trzecie okno optyczne - 1550 nm

48
Normalizacja miedzynarodowa

• Swiatlowody wielomodowezgodne z zaleceniem
  CCITT G.651
• - srednica rdzenia okolo 50 µm- srednica
  plaszcza okolo 125 um- blad koncentrycznosci lt
  6- blad niekolowosci lt 6- apertura numeryczna
  - przewaznie w zakresie 0,18 - 0,24
• - wspólczynnik tlumiennosci jednostkowej lt 4 dB/
  km dla okna 850 nm 
• lt 2 dB/km dla okna 1300 nm

49
Koniec prezentacji